四旋翼无人直升机控制算法仿真比较研究 - 范文中心

四旋翼无人直升机控制算法仿真比较研究

04/12

第31卷第4期

文章编号:1006—9348(2014)04—0078—05

计算机仿真

2014年4月

四旋翼无人直升机控制算法仿真比较研究

段国强2,张岳军2,李衍杰2,朱晓蕊1’2

(1.哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室,黑龙江哈尔滨150001;

2.哈尔滨工业大学深圳研究生院,广东深圳518055)

摘要:通过仿真技术比较研究了四旋翼无人直升机悬停及轨迹跟踪控制问题。由于无人机飞行环境复杂,受外界干扰较大,影响姿态的稳定性。采用PID控制、反演算法和积分反演算法控制四旋翼无人直升机的悬停和轨迹跟踪,对控制效果进行了仿真比较。利用Simulink建立了四旋翼无人直升机仿真平台,将PID控制、反演算法和积分反演算法分别应用到仿真平台上,对四旋翼无人直升机悬停和轨迹跟踪模型进行仿真。通过仿真对比发现,在悬停方面PID控制效果要优于反演和积分反演算法,而积分反演算法在轨迹跟踪方面优于PID和反演算法。关键词:四旋翼无人机;悬停;轨迹跟踪;积分反演算法中图分类号:V249.1

文献标识码:B

ComparativeStudy

ofFour——rotor

on

Simulation

UnmannedHelicopterControlAlgorithm

Yue—jun2,LIYan—jie2,ZHUXiao—mil,2

Heilongjiang

150001,China;

DUANGuo—qian92,Zhang

(1.Harbin

InstituteofTechnology,StateKeyLaboratoryofRoboticsandSystem,

Harbin

2.HarbinInstituteofTechnologyShenzhenGraduateSchool,ShenzhenGuangdong518055)

andtrajectory

tracking

used

ABSTRACT:Thispapermainlyachievedcomparativestudyoffour—rotorhelicopterhovercontrol

problem.TheenvironmentofUAViscomplicated,andisaffectedbyexternal

interferences.The

paper

PIDalgorithm,backsteppingalgorithmandintegralbacksteppingalgorithmtosolvethehoverand

trajectory

tracking

es・

controlproblem.Byanalyzingtheactualfour—rotorhehcopter,afour—rotorhelicoptersimulationplatformwastablishedusingMATLAB/Simulinkalgorithmwereappliedtothe

son

tools,andthenPIDalgorithm,backsteppingalgorithmandintegralbackstepping

resultsshowthatthesimulation

platform.Theexperimental

platform

provides

eompari—

ofthreecontrolalgorithms,andPIDisthebestinhovering,andintegralbacksteppingalgorithmisthebestin

tracking.

tracking;Integralbacksteppingalgorithm

trajectory

KEYWORDS:Quadrotor;Hover;Trajectory

制和反演(Backstepping)控制”J。

引言

四旋翼直升机,国外又称Quadrotor【I’2J,在空中要产生六

文献[4]的结果说明:PID控制方法虽然很好地实现了对四旋翼直升机在悬停时的姿态控制,但是它不能很好的控制存在外界扰动时的系统。而文献[5]的结果表明:滑模控制方法很好地实现了四旋翼直升机的姿态稳定控制,但因其控制结构的不断变化而带来的高频扰动,使得控制效果变得较差。反演控制方法则很好的实现四旋翼直升机的姿态跟踪控制,并且具有一定的抗干扰能力。本文的主要创新在于在同一平台上,针对悬停和轨迹跟踪两类控制问题,实现了

个自由度方向的运动,而它的输入量只有四个,因此,它是一个的欠驱动的运动系统口]。同样它的非线性,强耦合性使得这个多变量系统相对复杂。在过去的这些年中,为了控制四旋翼直升机的姿态和位置,人们已经研究了许多不同的控制方法。这其中最常用的控制方法是PID【41,LQMl,滑模控

基金项目:深圳市基础计划项目(JC201104210048A)收稿13期:2013—07一11修回Et期:2013-08-08

对PID算法,反演算法和积分反演算法等方法的比较研究。

本文利用Simulink建立了四旋翼直升机仿真平台,在平

—78一

万方数据

台上实现了PID算法、反演算法和积分反演算法,并对它们的悬停和轨迹跟踪控制效果进行了仿真比较。仿真结果表明在悬停方面PID算法控制效果要优于反演和积分反演算法,而积分反演算法在轨迹跟踪方面优于PID和反演算法。

2四旋翼无人直升机模型

2.1动力学模型

建立四旋翼直升机的模型,是后文展开仿真和控制器设计的前提,四旋翼直升机模型可保证仿真结果的合理性。为了便于分析四旋翼直升机的模型,将其简化为如图l所示的模型,并对其做动力学分析。

图1四旋翼动力分析殛坐标系

如图1,世界坐标系E,由姬、妒和擅组成,且擅向上为正;机体坐标系口,包含扭、归和扭,且初始状态和世界坐

标系一致。图中,z表示四旋翼无人机的臂长,t表示螺旋桨旋转产生的推力,Q表示螺旋桨旋转产生的力矩,r表示位置矢量,m表示四旋翼直升机质量。

应用z—y—x欧拉角,建立的从机体坐标系B到世界

坐标系E的旋转矩阵R。首先绕擅轴旋转角度沙,然后绕新生成的Y轴旋转角度一,最后再绕砧轴旋转角度咖,就可以

得到旋转矩阵尺,

cg,cOcCs,l,O—c枷砂

c叫,sOc4,+s枷妒1

Icos,/,sOs,l堪o+c妒砂sq,sOc4,一嘶蹄I

L—s咖c洳咖c枷口

其中,字母c与s分别是COS与sin的简写,币、0、砂分别为四旋翼绕坐标轴转动的滚转角、俯仰角和偏航角。

那么根据质心运动方程就可以得到在世界坐标系E下,四旋翼直升机质心的加速度方程M1见式(1),

【m:妇:】[耋】+。o∞.,x×m肠y.]=[:】

式中,,表示惯性张量,v表示四旋翼直升机的欧拉速率,∞表示四旋翼直升机的机体坐标角速率。,表示四旋翼直升机受到的总的合力,包含了电机带动螺旋桨旋转产生的推力∑t和自身受到重力作用G,推力方向与擅一致,重力方向与一疆一致。r表示四旋翼直升机受到的总的合力矩。由于在同一轴上两个螺旋桨转向相同且与另一轴上的转向相反,所以在电机转速相同的情况下对无人机的总力矩为零。

由于四旋翼直升机的动力来自其螺旋桨旋转拍打空气而受到的反作用力,因此,利用动量理论和叶素理论"’可以

万方数据

得到的作用在所有叶片元素上的垂直力引起的推力,其表达

式见式(2),和作用在电机轴上的阻力矩,其表达式见式(3),它是作用在叶片元素上的空气动力引起的,等于作用在电机上的水平力乘以力臂,决定了转动电机所需要的能量。

T=C∥(傩捌)2(2)q=C∥(歙捌)2R利

(3)

式中,r为叶片受的垂直力,c,为推力系数,P为空气密度,A为螺旋桨旋转面面积,Q为螺旋桨转速,R一为螺旋桨半径,Q为阻力矩,c。为阻力系数。2.2控制模型

四旋翼直升机的控制问题,可以理解为控制直升机在世界坐标系下的六个状态量,它们是四旋翼绕其三个坐标轴转动的滚转角咖、俯仰角0和偏航角砂,以及四旋翼在三个坐标轴方向的坐标z、茗和Y。

在实际控制过程中还引入了这六个状态量的微分量,因此,四旋翼直升机的控制问题就可归结为控制直升机的状态向量x,设u表示控制输入向量,那么,四旋翼系统可以表示

为状态空间方程x=八X,U),其中x和u分别展开后如式(4)和式(5),

x=【咖¥0匆砂乒zi石菇Y,】(4)

U=[U以以]7

(5)

四旋翼的控制输入与电机转速之间存在一个映射关系如式(6),

rU。=b(fl;+噬+堪+啦)

髓“b(a一£≯

1%=

:一Q;)

’+

L以=d(一Q2+Q;一Q;+啦)

式中,n。表示电机的转速,b,d是转速与控制输入之间转换

的系数。

在实现闭环反馈的时候,模拟外界干扰,将白噪声项到反馈状态参数中,并采用了卡尔曼滤波来得到期望的反馈信号。

3仿真平台

基于上述理论分析搭建的一个四旋翼直升机系统的整体仿真框图如图2。

圈2四旋翼直升机仿真框图

一79—

图2展示四旋翼无人机系统仿真流程框图,其工作流程

如下:首先框图最右端的目标轨迹部分解算出下一步的四旋翼直升机位姿参数给到控制器,控制器通过控制算法求出控制律u,如式(5),接着,控制律信号传输到电机模块,电机模块根据式(6)求的对应的电机转速,输出所需电机转速给到空气动力模块,该模块根据式(2)和(3)将电机转速转化为推力和力矩输出给系统动力,系统动力模块则相当于四旋翼本身,它根据式(1)输出飞机的姿态及位置信息,并通过滤波和噪声干扰处理后反馈给控制器。

4算法仿真

由于四旋翼直升机多变量、非线性、强耦合、易受干扰的特点,使得飞行控制算法设计变得困难。传统的PID控制算法只能获得一般性能,当需要进行复杂的机动动作时,通常性能变差。本文采用反演算法和积分反演算法用于四旋翼直升机位置与姿态控制,并与PID算法进行仿真对比。

PID控制

PID控制包含了比例、积分和微分控制的控制律,因其

简单的结构、可靠的工作性能、良好的稳定性以及方便调节而受到广泛应用。

根据四旋翼直升机的飞行原理,要改变四旋翼在空中的姿态,只需要改变相应的螺旋桨的转速就能实现,因此,在采

用PID控制时,可以得到如下关系式(7),其中,取表示四旋

翼悬停时电机转速,△珥、△玩、△亿和△q分别表示实现四

旋翼直升机竖直方向运动、滚转角、俯仰角和偏航角变化时电机转速的改变量。

硝lO一11绣+△佛

110一l仰j

(7)

硝1

O11△亿

—1

—1

实现PID控制的流程图如图3所示,由目标轨迹生成位姿参数,分别输出给位置控制和姿态控制,其中,位置控制通

过式(9)求解的期望的姿态角∥和∥,并将其作为输出传

给姿态控制,同时输出转速加,直接给到电机。之后,姿态

控制结合期望的姿态角和当前姿态角根据式(8)求出电机转

速变化量△玩、蛾和△玩,作为输出给到电机,最后电机按

照变化量根据式(7)求出电机实际需要转速带动螺旋桨转动,实现四旋翼位姿变化。

图3

PID控制流程图

一80一万方数据

4.1.1姿态控制

本文采用PD控制实现四旋翼姿态控制,表达式如式,分别给出了三个姿态角变化的电机变化量。

△正k=kp。十(咖4一咖)+矗d.4(p4一p)△正0=K,。(矿一0)+kd.p(q4一q)

(8)

△q=k.p(∥一砂)+k.p(rd—r)

4.1.2位置控制

利用PID控制,设计四旋翼直升机加速度的控制调节方程如下,

¨d”=ir+l|}d(ir—i)+kp(rr—r)+kiJ(rr—r)

式中,产表示期望的加速度向量,¨r表示轨迹上的加速度向

量,i表示测量的速度向量,i,表示轨迹上的速度向量,r表示测量的位置向量,_表示轨迹上的位置向量,kp,k。,k;表示PID控制参数。

非机动飞行时四旋翼直升机角度变化很小,将四旋翼直升机平动方程线性化可得加速度方程。

互4=g(∥COS砂+咖4sin砂)

少=g(∥sin砂一咖4COS砂)

≯:墨盟加,

通过上式解得期望姿态角及高度相关电机转速的变化量。

咖。=(互。sin砂一梦。C08砂)/g

6yd=(∥COS驴一严sin砂)/g

(9)

mF=m";d/8KPQh

将式(8)和(9)结合就可以得到式(7)中的四个电机转速变

化量,带入(7)式就可以求的电机的实际转速,从而实现四旋翼直升机的位姿控制。4.2反演控制

反演方法通过控制系统的最低阶次微分方程开始,引入满足李亚普诺夫稳定性判据的虚拟的控制量,逐步往回推算,解出符合稳定性要求的虚拟控制量,最后设计最终的控制律。

跟踪误差为毛=茗。。一名。,引入一个误差变量:乞=吃一叠。d—a。毛,式中髫。代表滚转角;茹。。代表期望的滚转角;茹:=叠。。+a。:。是虚拟控制输入。

考虑李雅谱诺夫函数y(:。,92)=÷(Z+之),根据稳定

性判据y(毛,92)<0,将上述各式带入可推导出滚转角控制律如下式,

以=j二【毛一口I髫4戈6一02,.4n,一al(92+dlzl)一t'lt222】

同样的步骤可以推导出阢、%和U如下式:

4.1

u・2三:iim丽[g+(1一d,2)z,+(a,+as)zs]

%=击心咱Ve飞枷,咱(Z4+Oc323)飞引u=吉h--a5X2X4飞z+%z5)飞%】

4.3积分反演控制

积分反演算法m…1是在反演算法的基础上加入积分项,从而将带有干扰的反演算法的鲁棒性和积分的模型不确定性结合在一起‘“]。4.3.1姿态控制

考虑跟踪误差e。=机一咖,角速度跟踪误差e:=叫“一∞,,其中角速度∞,并不是控制输入,而是一个虚拟控制量

∞“=cl

那么速度跟踪误差为:

fel0

C9e9+Xd+A崭5一算

Ie,:=c。,e¨+梦。+A。Y。一梦

式中c,,c¨,A,,A。正常数舶m分别算方向和Y方向位置跟

踪误差积分项。

根据积分反演算法可得控制律为:

f以2贵…_c92饥k+(c,+c10)elo-c,A粥】

【%一审(1一c21饥k・+(c-l+c12)e12-cl-饥]

5实验结果分析

在研究了四旋翼直升机模型与三种控制算法的基础上,为了验证算法的有效性,本文对三种控制算法分别进行了悬停和跟踪螺旋线、正方形轨迹的对比实验。

悬停控制时三种控制算法在四旋翼三个姿态角的控制实验结果如图4,图中可知PID在悬停控制上要优于反演和积分反演算法,具有较小的超调量;图5则给出了四旋翼飞螺旋线的实验结果对比,表明积分反演在轨迹跟踪控制上优于PID算法和反演算法;图6是飞正方形结果图,同样说明积分反演算法在轨迹跟踪上控制效果较为理想。

eI+机+A订l,式中Cl、Al是正常数罚l是滚转角跟踪

误差的积分项掰一=^e-(_『)d,。考虑使得增广的李雅谱诺夫

函数y(疋。,e。,e:)=÷(AⅨ;+e:+ei)稳定,既要求V=

AⅨ。e。+e。;。+e:j:≤0,将上述各式带入可设计滚转角的控制律如下式,

以=÷[(1一c:+A1)el+(cl+c2)e2一C1A订l+机一

”I

9沙口l一802Q,]

式中c:是正常数,决定了角速度环的收敛速度。同理可得俯仰和偏航控制律:

E羽

%=芦(1-c,2+A2)e3+(c,+c4

一、

l、

—c,A葫/2+以一占乒n,一¥Ⅱ。llr]

一吣毛歹

心7公

时同‘

以=古…_c52+A3)e5+(c,+c6)e6

一c,A葫,3+谚。一白¥Ⅱ,]

式中c,,c。,c,,c。,A:,A,是正常数搿:,朐分别为俯仰角和偏航角的位置跟踪误差积分项。4.3.2位置控制

首先,定义高度跟踪误差为:

n6

(a)roll角

e,=Zd—Z

0J

速度跟踪误差:

e8=c7e7+jd+A41,4一j

=吡

喜0

羞m

‘n4

同样根据积分反步算法可求得的表达式

m6

-0.8

U・=;:iim丽[g+(I—c;+A一)e・+(c,+cs)es—

c7A张J

式中c,,c。,A。是正常数,X4是高度跟踪误差的积分项,x。=

图4悬停是四旋翼三个姿态角曲线

』)e,(T)d,。

接下来,设茗和Y位置跟踪误差为:

6结束语

本文通过建立四旋翼仿真平台,并在平台上比较分析了三种控制算法,结果表明PID算法对悬停控制效果较为理想;积分反演算法能够较好的实现四旋翼的轨迹跟踪控制。

∞i二:

万方数据

一81—

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[作者简介]

段国强(1987一),男(汉族),山西省阳泉市人,硕

士研究生,主要研究领域为四旋翼无人直升机控制

图6正方形三种算法比较

(PID:红色,反演法:绿色,积分反演法:黑色)

制系统。

系统。

张岳军(1987一),男(汉族),河北省张家口市人,

硕士研究生,主要研究领域为四旋翼无人直升机控

下一步将控制算法移植到硬件平台进行实际飞行验证,确定控制算法的实际控制效果。

李衍杰(1978一),男(汉族),山东省青岛市人,副教授,硕士生导

师,主要研究领域为随机决策与优化,无人直升机控制。

参考文献:

[1]

朱晓蕊(1977一),女(汉族),重庆人,副教授,博士生导师,主要研

Ahug,JPOstrowski,RMahony.ControlofQuadrotor

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究领域为机器人定位与控制。

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Trans.onRoboticsand

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一82一

万方数据

四旋翼无人直升机控制算法仿真比较研究

作者:作者单位:

段国强, 张岳军, 李衍杰, 朱晓蕊, DUAN Guo-qiang, Zhang Yue-jun, LI Yan-jie, ZHU Xiao-rui

段国强,张岳军,李衍杰,DUAN Guo-qiang,Zhang Yue-jun,LI Yan-jie(哈尔滨工业大学深圳研究生院,广东深圳,518055), 朱晓蕊,ZHU Xiao-rui(哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室,黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工业大学深圳研究生院,广东深圳518055)计算机仿真

Computer Simulation2014,31(4)

刊名:英文刊名:年,卷(期):

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